(57)【要約】【課題】周波数可変の発振素子から発振される比較的広い帯域幅を持った周波数帯の電磁波であっても、その発振周波数全域にわたりスロット線路からの漏れを無くして高効率かつ高出力の電磁波を発振することができるテラヘルツ発振素子を提供すること。【解決手段】ＲＴＤなどで構成される能動デバイスを備えた微細スロットアンテナの両端部に多段のスタブを設け、この多段スタブから比較的広い帯域幅を持った電磁波の周波数帯を反射させる。この多段スタブ回路を設けたことにより、能動素子から発振される電磁波の漏れが反射されて能動素子に戻るため、帯域の広い高出力の発振出力が得られる。発振素子に用いる能動素子が周波数可変の場合にも、それに対応して高出力の発振出力が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に積層された第１の電極と、該第１の電極に対して絶縁体層を介して設けられ、略中央部にスロットアンテナが形成されてなる第２の電極と、
前記スロットアンテナの略中央部に配置された能動素子と、を備え、
前記絶縁体層の下にあって前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記第１の電極と第２の電極を直流的に遮断するスロット線路が設けられ、
前記スロット線路に面して前記第１及び／または第２の電極に複数のスタブが設けられていることを特徴とするテラヘルツ発振素子。
【請求項２】
前記能動素子は共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ発振素子。
【請求項３】
前記第１及び／または第２の電極に設けられる前記複数のスタブは、前記スロット線路に面して等間隔に付加されていることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ発振素子。
【請求項４】
前記第１及び／または第２の電極に設けられる前記複数のスタブは、前記スロット線路に面してその間隔が変化するように付加されていることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ発振素子。
【請求項５】
前記スロット線路に面して付加される前記複数のスタブは前記第１の電極にのみ付加されていることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ発振素子。
【請求項６】
前記スロット線路に面して付加される前記複数のスタブは前記第１の電極と前記第２の電極の両方に付加されていることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ発振素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナとスタブを集積したテラヘルツ発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる新しい現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。
【０００３】
一方、そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる周波数が１ＴＨｚ（１０１２Ｈｚ）〜１０ＴＨｚの周波数領域を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されることが期待されている。しかし、このテラヘルツ帯の周波数領域で動作する発振・増幅素子として満足できるものは現在までのところ存在していないのが現状である。
【０００４】
テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振する素子としては、トランジスタやダイオードなどの能動デバイスに微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている。（例えば、非特許文献１参照。）
本発明者らは、既に、アンテナ両端のスロット線路上に金属と絶縁体層を付加して高周波的に短絡した構造を持つ素子を提案している（例えば、非特許文献１、２参照）。この発振素子は、作製が簡単であって、微細化に適するなどの特徴を有している。
【０００５】
また、高周波電磁波の漏れを防ぐには、アンテナ両端のスロット線路に共振スタブを設けて高周波的に短絡を完全に行い、漏れを反射させる方法が考えられている。この共振スタブによる方法は、伝送線路の一部に波長の４分の１の長さのスタブ線路からなる共振回路を付加することにより、伝送線路に入射した電磁波がスタブの位置で等価的に短絡されることを利用する方法である。この方法によれば、入力される電磁波の波長に対してスタブの長さが４分の１波長と決まっているために、特定の周波数に対してのみ強い共振を示し、その周波数のみを短絡し強く反射するという効果がある。
【０００６】
図７（ａ）は、ＲＴＤ（Resonant Tunneling Diode：共鳴トンネルダイオード）とスロットアンテナを組み合わせて作製した発振素子の概略斜視図である。スロットアンテナ１００の中央付近にＲＴＤ１０９が配置され、スロットアンテナ１００の両端には、金属と絶縁体が積層された層が形成されている。ここで、金属層は左側電極１０４を構成し、絶縁体層１０３を介在させて金属からなる右側電極１０２と高周波的に短絡されるようになっている。
【０００７】
左電極１０４は、右電極１０２と絶縁体層１０３を介して重なっている部分の中央部に２箇所の凹部１０５、１０６が形成されており、この２つの凹部１０５、１０６に挟まれた状態で凸部１０７が形成されている。そして、左電極１０４の凸部１０７の略中央部には突起部１０８が形成され、この突起部１０８の下側に右電極１０２と挟まれるようにして能動素子１０９が配置されている。この能動素子１０９の代表的なものはＲＴＤである。
なお、左電極１０４と右電極１０２には直流電源１１５が接続されるとともに、寄生発振を防止するための寄生発振防止用抵抗１１４が接続されている。
【０００８】
この構造の発振素子において、能動素子であるＲＴＤは、ガリウムインジウムヒ素を量子井戸層とし、アルミニウムヒ素を障壁層とした構造となっている。ベースとなる半導体基板１０１は半絶縁性のインジウムリン（ＩｎＰ）が用いられる。ＲＴＤの両側に作られるスロットアンテナ１００は、共振器と電磁波の放射アンテナとを兼ねている。この発振素子においては、半導体基板１００に対して上方向と下方向の２方向に電磁波が放射される構造になっている。
【０００９】
また、金属と絶縁体の積層の下には直角に曲げられたスロット線路１１２が形成されており（図７（ｂ）を参照）、このスロット線路１１２によって左側電極１０４と右側電極１０２は直流的に遮断されるように構成されている。このスロット線路１１２は、直流電源１１５を短絡させないために必要不可欠なものであるが、このスロット線路１１２が存在しているため、スロットアンテナ１００から発振される高周波がそのスロット線路１１２に沿って漏れ、横方向（図の紙面と平行方向）に放出されてしまう。
【００１０】
図７（ａ）（ｂ）に示す従来のテラヘルツ発振素子は、絶縁体層１０３と同じ平面上に配置されるトランジスタやダイオードなどの能動素子１０９をスロットアンテナ１００の中央部に配置し、スロット線路１１２の両端を直角に曲げ、この部分を金属／絶縁体／金属の層構造で覆うようにしている。このため、金属／絶縁体／金属の層構造で覆った部分は高周波的に短絡になり、スロットアンテナ１００が構成される。このスロットアンテナ１００は、直流的には開放状態になっているため、能動素子１０９に直流を供給することができる。  
【００１１】
また、スロットアンテナ１００は、スロット線路１１２の両端が直角に曲げられ、この部分も同様に金属／絶縁体／金属の層構造で覆われている。このような高周波短絡構造のスロットアンテナ１００における、発振周波数が１ＴＨｚの場合の電磁界解析シミュレーションによれば、能動素子１０９からの電力全体のうちの４％だけがアンテナ１００に供給されて放射出力となることが計算されている。そして、放射される電磁波のうちの３３％が、短絡構造が不十分であるが故に、両端から漏れてしまう損失となってしまうのである。なお、残りの６３％は、金属による伝導損失、つまり熱エネルギーとしてテラヘルツ発振素子の温度上昇に使われるエネルギーである。
【００１２】
この構造の発振素子によって、室温でテラヘルツ帯１．０２ＴＨｚ（１０１２Ｈｚ）の発振が実現されている（非特許文献３を参照）。すなわち、試作した素子によれば、基本波の発振周波数を３４２ＧＨｚとし、出力が２３μＷであった。そして、基本波の第３高調波として１．０２ＴＨｚの電磁波が同時に出力され、この第３高調波の出力は０．５９μＷであったと報告されている（非特許文献３を参照。）。
【００１３】
【非特許文献１】N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillators Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with Stacked-Layer Slot Antenna”, Jpn.J.Appl.Phys. vol.67, L1309(2004),
【非特許文献２】N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillator Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with a novel RF short structure”, Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves (IRMMW2004), （赤外とミリ波国際会議）Karlsruhe (Germany), M5.3 (Sept. 2004) pp.121-122.
【非特許文献３】N. Orihashi, S. Suzuki, and M. Asada:”HarmonicGeneration of 1THz in Sub-THz Oscillating Resonant Tunneling Diode”[IRMMW2005／TＨz2005（The Joint 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th Infrared Conference on Terahertz Electronics）2005.9.19-23]
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、これら非特許文献１、２、３で提案した発振素子は、高周波短絡構造が不十分なため、高周波電磁波が発振する方向とは直角の方向（つまり横方向）に漏れてしまうという損失が生じ、高出力がでないという問題があった。つまり、図７に示すような構造のテラヘルツ発振素子では、目的方向に発振される電磁波の電力が４％程度しかないため、実用に供されるものではなかった。
【００１５】
また、アンテナの両端のスロット線路に共振スタブを設けて高周波の漏れを反射させる方法においては、発振素子に使用する能動素子が周波数可変の特徴を有する場合であって、比較的広い帯域幅を持つ電磁波を発振させる場合には、発振する周波数の全域にわたり漏れを反射して高出力の発振を行わせることはできなかった。すなわち、電磁波の漏れが生じるスロット通路上に、４分の１波長のスタブ線路を設ける方法では、特定の周波数の短絡及び反射には有効であっても、広帯域の周波数帯を有する電磁波に対しては、これを有効に反射させることはできないという問題があった。
【００１６】
この理由は、発振される電磁波の波長に対して付加するスタブ線路が、電磁波の波長の４分の１の長さに一致しない場合は、完全な共振にはならないために、短絡および反射が不十分となるからである。しかし、スタブ線路の長さが、電磁波の波長の４分の１でない場合であっても、ある程度の弱い反射が起こることが確かめられている。したがって、このようなスタブ線路を、伝送線路の途中に決まった間隔を置いて多段に付加すれば、それらによる反射が合成され、あるいは、ある程度位相がそろっていれば強めあうようにすることができて、特定の周波数のみでなく、幅を持った周波数に対して強い反射を可能とすることができる。
【００１７】
本発明は、上記問題点を解決することを目的としてなされたものであり、周波数可変の発振素子から発振される比較的広い帯域幅を持った周波数帯の電磁波であっても、その発振周波数全域にわたりスロット線路からの漏れを無くして高効率かつ高出力の電磁波を発振することができるテラヘルツ発振素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のテラヘルツ発振素子は、半導体基板上に積層された第１の電極と、該第１の電極（右側の電極）に対して絶縁体層を介して設けられ、略中央部にスロットアンテナが形成されてなる第２の電極（左側の電極）と、このスロットアンテナの略中央部に配置された能動素子と、を備え、絶縁体層の下にあって第１の電極と第２の電極を直流的に遮断するスロット線路が設けられ、このスロット線路に面して第１及び／または第２の電極に複数のスラブ（多段スラブ）が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の好ましい形態としては、能動素子としてＲＴＤ（Resonant Tunneling Diode：共鳴トンネルダイオード）が用いられ、第１及び／または第２の電極に設けられる複数のスラブは、スロット線路に面して等間隔に付加されている。
【００２０】
また、本発明の他の好ましい形態としては、第１及び／または第２の電極に設けられる前記複数のスラブは、前記スロット線路に面してその間隔が変化するように付加されている。
【００２１】
さらに、本発明の好ましい形態としては、スロット線路に面して付加される複数のスラブは第１の電極にのみ付加されているか、あるいは、複数のスラブが第１の電極と第２の電極の両方に付加されていることを特徴としている。
【００２２】
このように、本発明の構造において、さらに、金属と絶縁体層構造の下のスロット線路に、多段のスタブ線路を付加することにより、スタブの数、長さ、幅、間隔により決まる周波数幅において、アンテナ両端からスロット線路に漏れた電磁波が強く反射され、この反射した電磁波がアンテナからの放射電力となって、アンテナからの出力が高出力となるのである。
【００２３】
また、能動デバイスとして用いられるＲＴＤは、これに供給される直流電圧により電気的に周波数を変化できるという特徴を有しているが、このように発振する周波数が変化してもその変化に依存せずに、漏れを反射して高出力化を行うことができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、金属と絶縁体層構造の下のスロット線路に、多段のスタブ線路を付加することにより、両端から漏れる３３％がほぼ完全に反射され、放射電力が全体の４％から３７％へと大幅に増加する。このため、反射する周波数幅は、付加するスタブの数、長さ、幅、間隔により幅広い設計が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図１〜図６に基づいて本発明の実施の形態例について説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態例を構成するテラヘルツ発振素子の構造を示す図である。図１（ａ）は、その全体斜視図、図１（ｂ）は電極間のスロット線路と多段スタブの構造を示す平面図である。
【００２６】
図１（ａ）に示されるように、本発明の第１の実施形態例では、シリコンからなる半導体基板１上に積層される下部電極に複数のスタブ（多段スタブ）が設けられている点以外は、従来例として説明した図７（ａ）の構造と同じである。
すなわち、例えばインジウムリンを含むシリコン基板（Si-InP）１に、金（Ａｕ）、パナジウム（Ｐｄ）、またはチタン（Ｔｉ）等で作製される第１の電極（以下、「右電極」という。）２が積層されている。
【００２７】
この右電極２は、絶縁体３を挟んで第２の電極（以下、「左電極」という。）４と積層されている。左電極４は、右電極２と絶縁体層３を介して重なっている部分の中央部に２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれた状態で凸部７が形成されている。そして、左電極４の凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に右電極２と挟まれるようにして能動素子９が配置されている。この能動素子９の代表的なものはＳＴＤであり、詳しくは、図３に一例として示されるような積層構造のダイオードとして構成されるものである。なお、右電極２と左電極４には、図７（ａ）の従来例と同様に、直流電源１５が接続されるとともに、寄生発振を防止するための抵抗１４が接続されている。
【００２８】
左電極４と右電極２が積層されている部分の２箇所の凹部５、６と、凸部７及び突起部８と、能動素子９とからスロットアンテナ１０が形成される。このスロットアンテナ１０の両端には、金属と絶縁体が積層された層が形成されており、この金属／絶縁体／金属の積層により、左電極４と右電極４は高周波的に短絡されるようになっている。
そして、右電極２と左電極４は直流的に遮断される必要があるので、図１（ｂ）に示されるようなスロット線路１２が形成されている。図１（ｂ）に示すように、凹部５、６の深さは４μｍ程度、凸部７の幅は６μｍ程度が好ましいが、このサイズはこれに限定されるものではなく、発振する高周波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
【００２９】
図１（ｂ）は、右電極２のスロット線路１２に面した部分に多段スタブ１３Ａを形成した例を示した図である。既に述べたように、電磁波の伝送線路の一部に電磁波の波長の４分の１の長さのスタブを設けて、その中に電磁波を引き込み、それを反射させて伝送線路に戻すことにより共振回路が形成されることが分かっている。これは、伝送線路に入射した電磁波のうち、スタブの長さの４倍の波長を持つ電磁波のみが、スタブの位置で等価的に短絡され、これによって当該電磁波が反射されるため、その電磁波の伝送線路からの漏れが少なくなるという現象である。この方法によれば、入力される電磁波の波長に対してスタブの長さが４分の１波長と決まっているために、電磁波の波長がスタブの長さの４倍になる電磁波に対しては強く共振して反射させることができるが、帯域幅の広い電磁波についてはその反射効果は少ないものであった。
【００３０】
本発明の実施の形態例のスタブ１３Ａの長さは、帯域を持った入射電磁波の中心部分の電磁波の４分の１波長としないで、４分の１からずれた長さにする。例えば、反射させたい周波数幅があったときその周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波を一部反射させるための２波長〜３波長以上の長さのスタブ１３Ａを多く設けることにより、反射させたい周波数幅の電磁波を幅広い範囲で反射させることが可能である。
【００３１】
当然のことながら、電磁波の反射率は４分の１波長のときと比べると小さくなるのであるが、それでもスタブがない場合と比較するとかなりの反射が起こる。そして、共振条件がゆるい分だけ、ある帯域を持った周波数（ある波長の幅を持った電磁波）に対して、満遍なく反射する効果がある。また、多段スタブの間隔は、反射させたい電磁波の周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波に対して、スロット線路上での波長の半分程度の長さとすることにより各スタブからの反射の間に強め合う干渉（ブラッグ反射）が起こり、反射波が重ねあわされて、反射率がほぼ１００％の大きな値になる。言うまでもなく、スタブの長さ、数、間隔によって、反射する周波数幅、中心周波数は総合的に決定されるものである。
【００３２】
図２は、本発明の第一の実施の形態例を構成するテラヘルツ発振素子のそれぞれの要素の分解斜視図である。
図２に示されるように、シリコン基板１に第１の電極（右電極）２が積層され、その上に絶縁体層３を介して第２の電極（左電極）４が積層される。左電極４は図示のように、段差を有しており、この段差部分と右電極２の端部との間は直流的に短絡しないようにスロット線路１２を形成するための間隙が設けられている。
【００３３】
左電極４は、図１（ａ）でも説明したように、スロットアンテナ１０を構成するための凹部５、６と凸部７が設けられ、さらに凸部７の先に能動素子９を配置するための突起部８が設けられている。
また、右電極２には、左電極４のスロットアンテナ１０を挟むように、その両端部のスロット線路１２に面して多段スタブ１３Ａが設けられている。これらの構成要素が積層されてテラヘルツ発振素子が構成される。
【００３４】
図３は、上述した能動素子９を右電極２と左電極４との間に形成した例である。能動素子９としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。ここではＲＴＤで構成する一例を示しているが、この図に示すように、ＲＴＤはガリウムインジウムヒ素層９５をアルミニウムヒ素層９４ａ、９４ｂで挟んで形成されている。このように積層されたＲＴＤは、スペーサとして用いられるアンドープガリウムインジウムヒ素（ｕ−GaInAs）９３ａ、９３ｂを介在させてｎ型のガリウムインジウムヒ素９２ａ、９２ｂ、及びｎ＋型のガリウムインジウムヒ素９１ａ、９１ｂを介して、下側に位置する右電極２と上側に位置する左電極４にオーミックに接続される構造となっている。
【００３５】
図４は、多段スタブ（図４（ａ））と、波長に対する反射率の特性を説明するための図（図４（ｂ））である。
図４では、スロット線路１２に面して４つのスタブが設けられた例を示している。所定の帯域幅を有する電磁波の中心波長をλ０として、スタブの間隔をλ０／２とすると、反射率が１００％に近い電磁波の波長範囲Δλを得ることができる。このとき、スタブの長さは、２〜３λ０以上に設計するのがよい。また、スタブの幅がスタブの間隔の半分のとき、スタブ数５〜１０個程度の少ない数で１００％に近い大きな反射率となる。スタブ幅がそれ以外のときは大きな反射率を得るためにはスタブ数を増やす必要があり、また、周波数幅も狭くなる。しかしながら、これらの長さは限定されるものではなく反射する帯域幅との関係で設計的に規定されるものである。
【００３６】
なお、本発明の実施形態例では、図１（ｂ）に示した多段スタブにより、スロット線路に沿って伝送する漏れ電磁波が反射され、スロットアンテナに戻される。そして、反射された電磁波が出力として放射されるために、能動素子９から発振される電磁波は高出力となる。多段スタブ１３Ａを設けない、図７に示すような従来のテラヘルツ発振素子では、発振周波数１ＴＨzにおいて、能動素子からの電力全体のうちの４％しかアンテナから放射されなかったものが、図１（ｂ）に示すような多段スタブ１３Ａを用いた本願発明の実施形態例では、能動素子９の電力全体の３７％が電磁波としてアンテナから放射されることが確認されている。
【００３７】
図５は、本発明の第２の実施形態例について、そのスタブの構造を示す図である。スタブの構造以外は図１にしめす本発明の第1の実施形態例と同じなので同一符号を付している。
この図５に示した本発明の第２の実施形態例は、右電極２と左電極４の両方に多段スタブ１３Ｂを設けた例である。このようにスロット線路に面した両側の電極に多段スタブ１３Ｂを設けることにより、片方だけの場合に比べ約半分のスタブ数で同等の大きな反射率を得ることができる。また、周波数幅や中心周波数を決める際の設計の自由度を上げることができるので、設計上極めて有効である。なお、右電極と左電極の双方に付けるスタブの長さ、数、間隔は必ずしも等しい必要はなく、設計上自由に変更することができるものである。
【００３８】
図６は、本発明の第３の実施形態例の多段スタブの構造を示す図である。図１、図５と同じ部分は同一符号を付している。この図６に示す構造の多段スタブ１３Ｃは、左電極４、絶縁体層３の下にあるスロット線路１２に面したスタブの間隔を変化させている。このように、多段スタブ１３Ｃの間隔をスロットアンテナ１０から遠ざかるにしたがって大きくしたり、小さくしたりする間隔変調を行うことにより、周波数幅や中心周波数に対する設計の自由度を大きくすることが可能となる。
【００３９】
なお、本発明のテラヘルツ発振素子について、図１〜図６に示した実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態以外にも、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様の実施形態を含むことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明テラヘルツ発振素子の第１の実施の形態例を説明するための分解斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例の等間隔の多段スタブを片側電極に設けたアンテナの電極構造を示す図である。
【図３】本発明のテラヘルツ発振素子に用いられる能動素子の積層構造を示す図である。
【図４】本発明の原理を説明するための波長と反射率の特性を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態例である等間隔の多段スタブを両側の電極に設けたアンテナの電極構造を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態例である異なった間隔の多段スタブを片側電極に設けたアンテナの電極構造を示す図である。
【図７】従来のテラヘルツ発振素子の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１、１０１・・・シリコン基板、２、１０２・・・第１の電極（右電極）、３、１０３・・・絶縁層、４、１０４・・・第２の電極（左電極）、５、６、１０５、１０６・・・凹部、７、１０７・・・凸部、８、１０８・・・突起部、９、１０９・・・能動素子（ＳＴＤ）、１０、１００・・・スロットアンテナ、１２・・・スロット線路、１３Ａ，１３Ｂ、１３Ｃ・・・多段スタブ、１４、１１４・・・寄生発振防止抵抗、１５、１１５・・・直流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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